嵌入式学习-驱动开发-lesson1-字符设备驱动模型

驱动模型分析
在Linux系统中,设备的类型非常繁多，如：字符设备，块设备，网络接口设备，USB设备，PCI设备，平台设备，混杂设备……，而设备类型不同，也意味着其对应的驱动程序模型不同，但是这些驱动模型中有一些具有共性的东西，可以让我们对这些众多的驱动模型有一个更好的认识。

一、设备描述结构

在任何一种驱动模型中，设备（字符设备、块设备、网络设备）都会用内核中的一种结构来描述。字符设备在内核中使用struct cdev来描述。

struct cdev {struct kobject kobj;struct module *owner;const struct file_operations *ops; //设备操作集struct list_head list;dev_t dev; //设备号unsigned int count; //设备数};

1）.设备号

设备号分为主设备和次设备号，当我们创建了一个设备驱动的时候，需要通过主设备号与设备文件建立联系，这样 应用程序才可以通过设备文件，使用相应的驱动程序来控制设备。但是因为设备号有限，无法为每一个设备分配主设备号，因此将一些具有共性的设备让他们具有共同的主设备号，以次设备号来进行区分。例如，对于两个窗口，使他们主设备号相同，次设备号不同。

1.设备号的定义

Linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t这种类型其实质为32位的unsigned int，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号

问1：如果知道主设备号，次设备号，怎么组合成dev_t类型
dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号)

问2: 如何从dev_t中分解出主设备号?
主设备号 = MAJOR(dev_t dev)

问3: 如何从dev_t中分解出次设备号？
次设备号=MINOR(dev_t dev)

2.设备号的分配与注销

设备号的分配有两种方式：静态申请、动态申请

静态申请
开发者自己选择一个数字作为主设备号，然后通过数register_chrdev_region向内核申请使用。
缺点：如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用了，则申请失败。

动态分配
使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。
优点：因为内核知道哪些号已经被使用了，所以不会导致分配到已经被使用的号。

设备号注销
不论使用何种方法分配设备号，都应该在驱动退出时，使用unregister_chrdev_region函数释放这些设备号

2）操作函数集ops

Struct file_operations是一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的函数指针指向驱动中的函数,这些函数实现一个针对设备的操作, 对于不支持的操作则设置函数指针为 NULL。

struct file_operations dev_fops = {.llseek = NULL,.read = dev_read,.write = dev_write,.ioctl = dev_ioctl,.open = dev_open,.release = dev_release,};

1.open

open设备方法是驱动程序用来为以后的操作完成初始化准备工作的。在大部分驱动程序中，open完成如下工作：
标明次设备号、启动设备

int (*open) (struct inode *, struct file *)

打开设备，响应open系统

2.release

release方法的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close，主要作用是关闭设备。

int (*release) (struct inode *, struct file *);

关闭设备，响应close系统调用

3.llseek

* loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)

重定位读写指针，响应lseek系统调用

4.read

read设备方法通常完成2件事情：
从设备中读取数据(属于硬件访问类操作)

ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)

参数分析：
filp：与字符设备文件关联的file结构指针, 由内核创建。
buff : 从设备读取到的数据，需要保存到的位置。由read系统调用提供该参数。
count: 请求传输的数据量，由read系统调用提供该参数。
offp: 文件的读写位置，由内核从file结构中取出后，传递进来。

buff参数是来源于用户空间的指针，这类指针都不能被内核代码直接引用，必须使用专门的函数

（写）int copy_from_user(void *to, const void __user *from, int n)(读）int copy_to_user(void __user *to, const void *from, int n)将读取到的数据返回给应用程序

5.write

write设备方法通常完成2件事情：
从应用程序提供的地址中取出数据
将数据写入设备(属于硬件访问类操作)

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)

向设备写入数据，响应write系统调用,其参数类似于read

二、字符设备驱动

字符设备驱动程序的编写和大多数驱动程序一样，在开始的时候，对设备描述结构struct cdev进行初始化，然后将其加入内核中，随后对cdev里面的人一些参数根据自己的需要进行扩展，最后卸载驱动的时候，对申请到的资源进行释放。
主要过程如下：

1）分配cedv结构

cdev变量的定义可以采用静态和动态两种办法
• 静态分配

struct cdev mdev;

• 动态分配

struct cdev *pdev = cdev_alloc();

2）初始化cedv结构

struct cdev的初始化使用cdev_init函数来完成。

cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

参数：
cdev: 待初始化的cdev结构
fops: 设备对应的操作函数集

3）注册cedv结构

字符设备的注册使用cdev_add函数来完成。

cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

参数：
p: 待添加到内核的字符设备结构
dev: 设备号
count: 该类设备的设备个数

4）注销cedv结构

当我们从内核中卸载驱动程序的时候，需要使用cdev_del函数来完成字符设备的注销。

cdev_del(&mdev);

mdev为我们申请的struct cedv

三、设备文件的创建

当驱动程序写好之后，安装驱动之后，需要创建设备文件，这样应用程序才可以通过设备文件进行驱动的操作。
字符设备文件的创建主要有两种方式：
手动创建：
mknod /dev/文件名 c 主设备号 次设备号

使用函数创建：
链接：http://blog.csdn.net/u011003120/article/details/47069229

四、字符设备驱动编程

按照上面的流程介绍，其编程实现如下：

1.分配cdev结构

/*静态分配*/struct cdev mdev;

2.初始化cdev结构

cdev_init(&mdev, &memfops);

其中memfops为我们定义的操作函数集，里面包含了一些我们需要使用的函数。

const struct file_operations memfops={  .llseek = mem_llseek,  .read = mem_read,  .write = mem_write,  .open = mem_open,  .release = mem_close,};

然后可以参照内核或者别的，将定义的函数根据自己的需要进行编写。

loff_t mem_llseek (struct file *filp, loff_t offset, int whence){}ssize_t mem_read (struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos){}ssize_t mem_write (struct file *filp, const char __user *buf, size_t size , loff_t *ppos){}int mem_open (struct inode *node, struct file *filp){}int mem_close (struct inode *node, struct file *filp){}

3.注册cedv结构

cedv结构的注册，还需要设备号，因此，需要先申请设备号

alloc_chrdev_region(&devno,0,2,"memdev");/*动态分配设备号，起始设备号为0 有2个设备号,设备的名字为memdev*/dev_t devno;  //设备号

注册

cdev_add(&mdev, devno, 2);/*设备的个数为2*/

4.销毁

在驱动卸载的时候，需要销毁

cdev_del(&mdev);

贴上全部代码：

/**********************************************File name :memdev.c*Author    :stone*Date      :2016/07/27*Function  :字符设备驱动代码*********************************************/#include <linux/module.h>#include <linux/init.h>#include <linux/cdev.h>#include <linux/fs.h>#include <asm/uaccess.h>/*通过一组数组来虚拟设备的寄存器*/int dev1_regs[5];int dev2_regs[5];/*静态分配*/struct cdev mdev;dev_t devno;  //设备号/*自动创建设备号*/static struct class    *my_class;/*定位*/loff_t mem_llseek (struct file *filp, loff_t offset, int whence)/*whence 起始地址*/{    loff_t new_pos = 0;    /*利用whence 和offset 计算出一个新的偏移*/    switch(whence)    {        case SEEK_SET:  /*从起始地址开始移*/                new_pos = 0 + offset;                break;        case SEEK_CUR: /*从当前位置开始移*/                new_pos = filp->f_pos + offset;                break;        case  SEEK_END: /*从文件尾开始移*/                   new_pos = 5*sizeof(int) + offset;/*整个设备的大小*/                break;     }    /*把新的地址赋给filp->f_pos*/    filp->f_pos = new_pos;    return new_pos;}/*read*/ssize_t mem_read (struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos){     /*通过filp拿到在open时保存的基地址*/    int *reg_base = filp->private_data;    /*将读取到的数据返回给应用程序*/    copy_to_user(buf,reg_base+(*ppos),size); /*1 复制到buf所指向的地址去 2.数据从基地址+偏移的地方取 3.数据的大小 */    filp->f_pos += size; /*指针发生偏移*/    return size;}/*写*/ssize_t mem_write (struct file *filp, const char __user *buf, size_t size , loff_t *ppos){    /*通过filp拿到在open时保存的基地址*/    int *reg_base = filp->private_data;    /*将用户数据复制到设备去*/    copy_from_user(reg_base+(*ppos),buf,size); /*2 复制到buf所指向的地址去 1.数据从基地址+偏移的地方取 3.数据的大小 */    filp->f_pos += size; /*指针发生偏移*/    return size;    }/*打开*/int mem_open (struct inode *node, struct file *filp){         /*次设备号保存在 node 里*/    int num = MINOR(node->i_rdev);    /*提取次设备号*/    if(num == 0)  /*设备1*/        filp->private_data = dev1_regs;    /*把基地址保存在struct file 里的指针*/    if(num == 1)        filp->private_data = dev2_regs;    return 0; }/*关闭*/int mem_close (struct inode *node, struct file *filp){    return 0;}/*函数指针集合*/const struct file_operations memfops={  .llseek = mem_llseek,  .read = mem_read,  .write = mem_write,  .open = mem_open,  .release = mem_close,};int memdev_init(){    /*初始化*/   cdev_init(&mdev, &memfops);    /*注册*/    alloc_chrdev_region(&devno,0,2,"memdev");/*动态分配设备号，起始设备号为0 有2个设备号,设备的名字为memdev*/    cdev_add(&mdev, devno, 2);/*设备的个数为2*/    my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class1");       device_create(my_class, NULL, devno, NULL, "memdev" "%d", MINOR(devno));     return 0;   }void memdev_exit(){    cdev_del(&mdev);    /*注销设备号*/    unregister_chrdev_region(devno,2);    device_destroy(my_class, devno);         class_destroy(my_class);}MODULE_LICENSE("GPL");module_init(memdev_init);module_exit(memdev_exit);

菜鸟一枚，如有错误，多多指教。。。